引導尖端科技的「科學神燈」——《追光之旅：你所不知道的同步輻射》

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇，但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例，平均每星期會發現一種新種恐龍，每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域，同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如，南非威特沃特斯蘭德大學（University of the Witwatersrand）領導的國際科學家團隊，針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨，進行 3D 複製重建，發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同，研究成果發表在《科學報導》（Scientific Reports）上。

在台灣，由加拿大多倫多大學教授賴茲（Robert Reisz）與台灣學者組成國際團隊，花費兩年時間，運用超高解析二維紅外光譜顯微術，在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中，發現殘留有機物，找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》（Nature）雜誌封面。

此外，在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中，國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換，恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後，還是有機會被保存下來，」李耀昌表示，這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》（Nature Communications）期刊，並獲選為《發現》（Discover）雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名，是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白，恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館，以及中國大陸地質科學院地質研究所合作，蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒，利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對，首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間，存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層，可以保護牙齒，避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知，因此登上國際知名期刊《科學報導》（Scientific Reports）與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對，國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤，沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時，斜口鉗當場應聲斷裂，只好再買一把硬度更高的老虎鉗，費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

牙齒的特殊結構，使得肉食恐龍成為頂尖獵食者，稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤，以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷，「暴龍的咬合力約 6,000 公斤，且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸，但靠著微小的避震結構設計，便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂，」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題，透過同步光源高解析度檢測技術，可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異，提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法，而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物，未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅：你所不知道的同步輻射》，2021 年 8 月，天下文化。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《為什麼義大利名琴的音色難以複製？》
• 作者 / 文詠萱｜科技大觀園特約編輯

戴桓青小時候學過幾年小提琴，但並不在行；在美國加州理工學院念博士班時，有位會拉小提琴的同學選擇以此為科普文章題目，發現很多名琴研究都是德州農工大學教授納吉瓦里 (Joseph Nagyvary) 所著，兩人決定利用耶誕假期前往拜訪，沒想到從此與小提琴研究締結不解之緣。戴桓青延續已退休的納吉瓦里針對小提琴木材的相關研究，分析名琴修復時留下的木屑，研判小提琴好聽的秘密，可能就存在小提琴的木材中。

名琴的音色秘密在木板？

戴桓青總共分析了八把史特拉底瓦里小提琴 (Stradivarius) 與二把耶穌．瓜奈里小提琴 (Guaneri del Gesù) 的木材，這兩類名琴在製琴界、演奏界皆以音色優美聞名。針對音色的定義，戴桓青表示：「聲音的屬性除了音高跟音量外，其他都叫做音色。音色很主觀，雖然科學家還不知道要怎麼去定義、分析音色，但演奏家對於音色上的共識認知是存在的，很少人會說其他琴比這兩種名琴好聽。」

世界上的木材上千萬種，而小提琴的木材萬中選一。前板得使用阿爾卑斯山南麓的雲杉，背板使用來自巴爾幹半島或是義大利平地的楓木。戴桓青針對木材解釋：「先前納吉瓦里教授分析這些名琴的光譜，發現這些製琴師應該不是直接使用天然木材，而是有經過處理，我們延續他的研究。過去針對這些名琴的研究，都是以研究幾何形狀為主，小提琴有很多曲線、細微的比例、木板不平均的厚度等，但大家模仿出來後，還是沒有辦法做到和這些名琴一樣的聲音，所以我們認為往材料的方向研究是正確的。」

製琴小鎮的配方對決

300 年前製琴師都在義大利北部的克里蒙納 (Cremona) 小鎮中製琴，「我們已經發表的論文，主要在分析這幾把名琴的背板楓木，發現木材確實有做過化學處理，但並不確定是由供應木材的供應商所處理，還是由製琴師處理。」

至於前板雲杉，戴桓青的研究尚未發表，但針對木材處理來源，交叉比對後發現，那些化學處理的痕跡，應為每位製琴師的秘密配方。「近期的研究發現，小提琴三大家族所做出來的琴，配方都很明顯不一樣，也都相當複雜，因此可以排除是由木材供應商處理的可能性。這也相當合理，因為克里蒙納人很少，製琴的人彼此會互相競爭，各自有各自的配方並不奇怪。」

外型幾何容易模仿，但木材的化學處理就很難用肉眼看出來。「配方我們尚未解出來，製琴是一項工藝，順序也是很關鍵的一件事，配方有可能很複雜地先泡再洗掉，還要考慮溫度、pH 值、處理時間等，沒有辦法從現在的化學分析回推工序與配方。」戴桓青用食物當做各家配方的例子：「就像炸雞排，每家店的原料都差不多，但炸出來味道都不一樣，你不可能買一塊雞排回來分析，就知道他的工序。」

影響琴聲音的可能性

也有許多研究是針對名琴的塗漆，想知道漆對聲音的影響，或是模仿名琴塗漆，看看是否能複製出名琴的聲音。對此，戴桓青認為，「塗漆是一定有影響的，上不同的漆會有不同的差別。但研究名琴塗漆這麼多年，漸漸發現裡面的成分都是我們已知的，但就是沒辦法只透過模仿塗漆和模型，複製出名琴的聲音。」

世界上有許多木製的樂器，很少會聽到樂器放越久越好聽。「我問過很多專家，只有兩種樂器會放久了聲音變好聽，一種是中國古琴，另一種就是義大利小提琴。至於為什麼會有這個現象，目前還有沒人理解，需要更多的研究。而有些樂器本來設計就不是可以用很久的，例如古箏。」

關於小提琴纖維素分子研究，戴桓青團隊利用「同步輻射」小角度 X 光散射探照，發現琴的木頭纖維素是會重新排列的，「我們針對小提琴的木頭分析，發現纖維素分子之間本來有半纖維素把它們區隔開來，但隨著時間過去，半纖維素會自然分解，纖維素會重新排列。至於這件事對聲音的確切影響，目前還不是很清楚，只知道老的琴會有這樣的現象。」

針對這樣的研究，難免有人會懷疑這些名琴是不是真的比較好聽，畢竟這不是隨隨便便就可以聆聽現場演奏的珍品。戴桓青表示：「事實上，確實要近距離地聽很多把名琴來演奏，才能感受到他們的差異。可是通常一位演奏家表演或比賽，只會帶一兩把琴出門。若真的要做相關研究，首先盲測畢竟有其限制，且『音色』是人類很不了解的領域，很難用科學的方法去解釋和比較。」

「同步輻射就是一台超級顯微鏡，它可以讓你看到恐龍蛋，不只是裡面有沒有小恐龍，還有這整個蛋白質的結構，都比學校的顯微鏡強太多太多倍了！」

國家同步輻射中心（以下簡稱國輻中心）為了讓更多人知道什麼是「同步輻射」，還有這個中心都在幹嘛，跟金鐘獎最佳動畫節目得主 studio2 團隊一起合作，歷經一千多天才完成科普電影《阿卡的冒險：光子秘密》，並於今年 8 月 29 日在科技大樓一樓簡報室舉辦電影試映會。《阿卡的冒險：光子秘密》主打國中以下觀眾群，期待能讓親子一同在時而緊張刺激，時而溫馨感人的氣氛之下，輕鬆了解「同步輻射」和台灣之光「國輻中心」。

想必國輻中心的科學家與 studio2 在完成《阿卡的冒險》這一千天中，一定經過很多討論跟磨合。而今天由我這個來泛科學兩個月的實習編輯，帶大家一起瞧瞧《阿卡的冒險》到底好不好看，還有這部科普電影如何誕生！

返祖病毒解藥失靈與阿卡身世之謎——《阿卡的冒險》劇情簡介

以前我對公家機關製作的科學影片總抱持著刻板印象：教育意義濃厚、像在看影片版本的課本，或是沒有很好的包裝想傳達的知識（如果我只想躺在沙發上放鬆看電視絕對轉台的那種）。

《阿卡的冒險》完全扭轉了這個印象，這部電影的故事性非常強，不會讓人一看就覺得電影要教我生冷的科學知識。故事剛開始先以「返祖症狀」病毒散播為後續故事鋪梗，染上此病不僅身上會長出大量毛髮，攻擊性也增加。企業家、政治家、甚至一般大眾與動物都染上此病，引起社會恐慌。再來是以小雞阿卡的視角出發，小雞阿卡想知道為甚麼自己和其他小雞外表長得如此不同，為了尋找「我是誰」的答案決定離「雞寮」出走。

接下來鏡頭帶到小男孩阿卡身上，染上「返祖症狀」病毒的小男孩阿卡長年為疾病所苦，解藥要價昂貴、支付不起；再加上科學家爸爸無預警地離去，讓小男孩阿卡難過不已。一日小男孩阿卡在河邊遇見小雞阿卡，救了小雞阿卡一命，從此他們形影不離，小男孩阿卡的心情也才逐漸轉好。突然一天，「返祖症狀」病毒的解藥失靈，而正確的解藥關鍵在小雞阿卡身上。當全國通緝小雞阿卡之時，事情的原委漸漸明朗，為何小男孩與小雞有相同名字，答案也都一一解開。

阿卡嚮往的國輻中心：與電影情節連結緊密不出戲

而在這錯綜複雜又有趣的故事情節底下，國輻中心的身影處處可見，科學知識跟故事情節連結緊密，看到科學知識部分不會有種「出戲」的感覺。像阿卡爸爸是國輻中心的科學家，而阿卡從小就對國輻中心有所嚮往，喜歡聽光子源同步加速中心裡的主任黃博士講解加速器的運作原理，觀眾也能從中阿卡的視角了解到「同步輻射」是甚麼、中心有哪些最新研究成果，及這些研究有哪些應用。

除此之外，《阿卡的冒險》電影裡也有許多的小巧思，像是把阿卡設定為「鳥類」，是因為鳥類與恐龍的親緣關係極為相近，呼應國輻中心恐龍牙齒結構的最新研究；另一方面，在電影最後治療疾病的關鍵解藥，就設定在「加速器光源」中，不僅讓大家了解到光子源同步加速器還可以應用在生醫製藥領域，也讓大家對於「同步輻射」的認識不再單一。

整體而言，電影《阿卡的冒險》裡科學知識的難易度適中，也很符合當初國輻中心主打「親子同樂」的設定。試映會當天不管是大朋友、小朋友，都非常投入在電影情節當中，在時而緊張刺激，時而溫馨感人的氣氛之下，輕鬆了解「同步輻射」。

看完電影當下的我，只有兩個字可以形容我的心情：過癮！

【後記】在五歲女兒心中種下科學種子

全體活動結束之後，身為科普人當然是立馬衝到前面死巴著國輻中心的計畫負責人跟導演了解這一切是怎麼開始的中間又發生哪些好玩事，我因為才來泛科兩個月沒有泛科名片我就算拿舊名片出來還是絕對要讓他們看見我的誠意（想必你看到這裡也很能感受到我的熱情（笑）。

國輻中心的羅國輝主任、計畫共同主持人湯茂竹、還有今天擔任活動司儀的潘冠宇博士，以及 studio2 團隊的馮偉倫導演，大家都人超好犧牲午飯時間，坐在會場第一排一一解答我這個菜鳥實習編輯的疑問！

大家回憶起這一千天到底是怎麼走過來的：剛開始光是定主題就花了半年的時間，甚麼主題都想過，比如新竹米粉要怎麼做才好吃，也想過要連結鄭成功的歷史故事；當確定主題之後，科學家想的是要有哪些科學元素在電影裡，studio2 則要設法把科學知識以故事情節包裝。

「他們（studio2 團隊）會懂得用畫面還有其他感官來思考事情，但科學家不是用這套思考方式，那個衝突跟磨合真的是非常精采！」潘冠宇博士感慨地說著。

雖說科普電影製作的過程中，科學家和動畫製作團隊間勢必會經歷一番又一番的討（ㄔㄠˇ）論（ㄐㄧㄚˋ），但當最終科普電影《阿卡的冒險》真的搬上了大螢幕，學生的熱烈反饋讓國輻中心的科學家們感動不已。計畫共同主持人湯茂竹提到：「小朋友剛開始會問電影劇情的問題，問到後來沒有問題了，會開始問科學的問題！」潘冠宇博士也分享：「我五歲的女兒看完之後，回到國輻中心裡電影出現過的場景，居然跟我說：『把拔這就是電子光！』雖然電影中提到的是電子會產生光，不過這已足以證明，科普電影已經能在五歲孩子的心中種下一個種子！」

「我們科學背景的人，平常頻繁接觸相對論、量子物理的知識，就跟呼吸一樣平常，但開始製作科普影片之後才知道自己跟別人落差很大。「科普」就像是一種「重新認識自己」的過程，當我們把自己歸零，再重新來看國輻中心的時候，這個過程很棒。」

期待科普電影《阿卡的冒險》在未來若反應持續這麼熱烈，國輻中心又再找到更多資源，「那我們就把剩下的十三集拍完！一集 22 分鐘，就像在看名偵探柯南一樣。」